0.1t普通座式焊接變位機(jī)設(shè)計(jì)摘要焊接變位機(jī)是一種焊接輔助設(shè)備，它與焊接操作機(jī)、焊接滾輪架并稱為焊接輔助設(shè)備中三大機(jī)。焊接變位機(jī)是應(yīng)焊接行業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展需要而產(chǎn)生的。焊接變位機(jī)作為一種焊接配套設(shè)備，用于管子橫向?qū)雍附樱茏优c法蘭內(nèi)外環(huán)縫焊接，管子對(duì)管子全位置焊接。焊接變位機(jī)可水平翻轉(zhuǎn)角度，通過(guò)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)及翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使工件上焊縫處于最理想的位置進(jìn)行焊接，從而大大提高焊縫質(zhì)量，減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其是適合焊接各種軸類、盤(pán)類、筒體等回轉(zhuǎn)工件的理想設(shè)備。本設(shè)計(jì)分析了解國(guó)內(nèi)外焊接變位機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r、以及焊接變位機(jī)在焊接機(jī)器人中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種0.1噸小型座式焊接變位機(jī)。該變位機(jī)具有兩個(gè)自由度，有兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置?？梢苑奖銓?shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)和傾斜翻轉(zhuǎn)，從而能使焊縫變化到平焊位置或“船形”位置。文中對(duì)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算、機(jī)架的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，尤其是對(duì)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)說(shuō)明。本焊接變位機(jī)采用直流電機(jī)—減速機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)并傾斜，具有運(yùn)動(dòng)精度高、慣量小、制動(dòng)性和穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，方便實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。批量生產(chǎn)可獲得比較高的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：焊接變位機(jī)；變位自由度；焊接輔機(jī)；焊接自動(dòng)化設(shè)備；AbstractWeldingpositionerisakindofweldingauxiliaryequipment,itwasknownasthethreeplanesinweldingauxiliaryequipmentwithweldingmanipulator,weldingrollerbed.Weldingpositionerwasdesignedwiththedevelopmentofweldingindustrymechanization,andautomation.Asaweldingauxiliarymachine,weldingpositionerwasusedinpipe′slandscapeorientationwelding,pipeandflange′sinsideandoutsidecentrallinkingwelding,pipeweldinginalllocation.Thoughthegyrationandretroflexionoftheworkbench,theweldingpositionercanmaketheweldinglinetoanidealposition,whichcanimprovethequalityoftheweldedjoint,reducewelder’sworkload.Itisidealequipmentespeciallyfittoweldthekindsofworkpiece,justliketheshaft,tray,canister,andsoon.Byunderstandingtheweldingpositioner′sdevelopmentindomesticandoverseas,andthepositionerusedinweldingrobotisdescribedinthepaper.Asmallblock0.1tonsofweldingpositionerisdesigned.Thepositionerhastwofreedomsofmotionsandtwounattachedformuladrivingdeviceandgearing.Itcaneasilyachievethegyrationandtheinclinationoftheworkpiece,therebychangingweldingseamtodownhandpositionor“shipform”position.thecountofdrivingpoweriscalculated,theframeworkoftheweldingpositionerisdesigned,especiallythegearing.ThisweldingpositionerusedDCmotorandslowdownplanetodrivetheworkbenchtogyrationorinclination.Ithassomeadvantages,suchasahigh-precisionmovement,inertiasmall,goodbrakingandstability.Italsocaneasilyachievesteplessspeedregulation,positiveornegativeturns.Becauseofitsnotableseconomicbenefit,ifitwouldbeenproducedlargely.Keywords:weldingpositioner，freedomofdeflection，weldingauxiliarymachine，weldingautomaticequipment.目錄第一章緒論 11.1設(shè)計(jì)焊接變位機(jī)的意義 11.2國(guó)內(nèi)外焊接變位機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介 11.3我國(guó)焊接輔助設(shè)備簡(jiǎn)介 31.3.1我國(guó)焊接輔助設(shè)備的發(fā)展歷程 31.3.2焊接輔助設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì) 41.4關(guān)于焊接機(jī)器人 51.4.1國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 51.4.2我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用狀況 51.4.3應(yīng)用焊接機(jī)器人的意義 61.4.4我國(guó)焊接機(jī)器人應(yīng)用工程 71.4.5焊接機(jī)器人的最新應(yīng)用技術(shù) 81.5關(guān)于焊接變位機(jī)的幾個(gè)基本定義 91.5.1焊接變位機(jī)的定義 91.5.2主自由度及全功能焊接變位機(jī) 91.5.3焊接變位機(jī)的變位自由度 101.5.4變位機(jī)的第一主參數(shù)--額定負(fù)荷 101.6焊接變位機(jī)的分類 111.6.1焊件變位機(jī)的類型 111.6.2焊機(jī)變位機(jī)械的類型 131.6.3焊工變位機(jī)的類型 141.7幾種常見(jiàn)的焊件變位機(jī)的類型及特點(diǎn) 141.8設(shè)計(jì)本焊接變位機(jī)的目的和意義 16第2章總體設(shè)計(jì) 172.1本焊接變位機(jī)總體設(shè)計(jì)及適用范圍 172.2設(shè)計(jì)方案的確定 17第3章傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 213.1傳動(dòng)部分的總體設(shè)計(jì)要求 213.2傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和擬定 213.3本焊接變位機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的確定 233.3.1工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng) 233.3.2工作臺(tái)傾斜系統(tǒng) 233.4電動(dòng)機(jī)的選擇 243.4.1電動(dòng)機(jī)類型的選擇 243.4.2電動(dòng)機(jī)功率的確定 273.4.3電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 333.5傳動(dòng)比的擬定及確定 343.5.1總傳動(dòng)比的確定 343.5.2各級(jí)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比的分配 343.5.3.計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 363.6蝸輪、蝸桿的選擇及校核 383.6.1蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn) 383.6.2蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)的選擇 393.6.3蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 403.7齒輪的設(shè)計(jì)與校核 423.7.1工作臺(tái)傾斜機(jī)構(gòu)中的齒輪的設(shè)計(jì)與校核 423.8諧波齒輪減速器的選擇 443.9軸的設(shè)計(jì)與校核 473.9.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 473.9.2軸的初估 473.9.3軸的強(qiáng)度校核 483.10軸承的選擇與校核 523.10.1軸承的選擇 523.10.2軸承的校核 52第4章機(jī)架的設(shè)計(jì) 554.1機(jī)架的設(shè)計(jì) 554.2機(jī)架焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 564.2.1機(jī)架應(yīng)用焊接結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題 564.2.2焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)措施 57結(jié)論 58致謝 59參考文獻(xiàn) 60第一章緒論1.1設(shè)計(jì)焊接變位機(jī)的意義焊接技術(shù)自發(fā)明至今已有百余年的歷史，工業(yè)生產(chǎn)中的一切重要產(chǎn)品，如航空、航天及核能工業(yè)中產(chǎn)品的生產(chǎn)制造都離不開(kāi)焊接技術(shù)。其焊接質(zhì)量的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，直接影響整機(jī)性能。所以改進(jìn)焊接技術(shù)，提高焊接質(zhì)量對(duì)工業(yè)現(xiàn)代化起著重要的作用，其中提高焊接機(jī)械化、自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)焊接工藝及裝備的現(xiàn)代化是改進(jìn)焊接質(zhì)量的一個(gè)重要方面，一般來(lái)說(shuō)焊件的質(zhì)量比較重，靠人工改變焊縫位置很不容易，且效率十分低下。這樣在焊接生產(chǎn)中，就會(huì)遇到焊接變位及選擇合適的焊接位置的情況，針對(duì)這一實(shí)際需要，人們就設(shè)計(jì)研制了焊接變位機(jī)，選擇合適的變位機(jī)能將被焊工件的各類焊縫轉(zhuǎn)動(dòng)到最佳位置,從而避免立焊、仰焊，提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率。變位機(jī)可以使工件上的接縫處于理想的船形位置或平焊位置進(jìn)行焊接，是提高焊接效率和質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的有效廉價(jià)工具。另外,選擇合適的變位機(jī)能降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及生產(chǎn)成本,加強(qiáng)安全文明生產(chǎn),有利于現(xiàn)場(chǎng)管理。在我國(guó)，焊接變位機(jī)也已悄然成為制造業(yè)的一種不可缺少的設(shè)備，在焊接領(lǐng)域把它劃為焊接輔機(jī)，它與焊接操作機(jī)、滾輪架并稱為焊接輔機(jī)中三大機(jī)。近十年來(lái)，這一產(chǎn)品在我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)，有了較大的發(fā)展，獲得了廣泛的應(yīng)用。就型式系列和品種規(guī)格而言，已問(wèn)世的，約有十余個(gè)系列，百余品種規(guī)格，正在形成一個(gè)小行業(yè)。1.2國(guó)內(nèi)外焊接變位機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介一般說(shuō)來(lái)，生產(chǎn)焊接操作機(jī)、滾輪架、焊接系統(tǒng)及其他焊接設(shè)備的廠家，大都生產(chǎn)焊接變位機(jī)，生產(chǎn)焊接機(jī)器人的廠家，大都生產(chǎn)機(jī)器人配套的焊接變位機(jī)。但是，以焊接變位機(jī)為主導(dǎo)產(chǎn)品的企業(yè)，非常少見(jiàn)。德國(guó)Severt公司，美國(guó)Aroson公司，我國(guó)天津鼎盛工程機(jī)械有限公司等，算是比較典型的生產(chǎn)焊接變位機(jī)的企業(yè)。德國(guó)的CLOOS、奧地利Igm、日本松下機(jī)器人公司等，都生產(chǎn)與機(jī)器人配套伺服控制的焊接變位機(jī)。美國(guó)Aroson公司生產(chǎn)的焊接設(shè)備有焊接變位機(jī)、操作機(jī)、滾輪架等，可稱世界之最。這個(gè)公司生產(chǎn)的焊接變位機(jī)，主要類型為傾翻—回轉(zhuǎn)式、傾翻—回轉(zhuǎn)升降式、雙座雙回轉(zhuǎn)式，雙座單回轉(zhuǎn)式和雙座單回轉(zhuǎn)升降式。其承載能力范圍為11kg～1810噸。德國(guó)LCOOS公司是國(guó)際上生產(chǎn)焊接設(shè)備的大型公司之一。生產(chǎn)焊接機(jī)器人、焊機(jī)等產(chǎn)品。也生產(chǎn)作為焊接機(jī)器人外部軸的焊接變位機(jī)。在我國(guó)，除可見(jiàn)到與焊接機(jī)器人系統(tǒng)配套進(jìn)口的L型雙回轉(zhuǎn)式、傾翻-回轉(zhuǎn)式和單回轉(zhuǎn)式變位機(jī)外，還生產(chǎn)臥式單坐單回轉(zhuǎn)WPV、立式單回轉(zhuǎn)RR502以及各種多軸焊接機(jī)器人配套的變位機(jī)，如立式多工位2×臥式單回轉(zhuǎn)R-WPV2型（3軸）、立式多工位2×C型雙回轉(zhuǎn)式R-WPV2-CD（5自由度）、立式多工位2×傾翻-回轉(zhuǎn)GR-WPK2（5軸）、立式多工位2×傾翻-回轉(zhuǎn)×單回移動(dòng)轉(zhuǎn)式GR-WPK2-CD（9軸）等。日本松下公司也是機(jī)器人制造公司。這個(gè)公司生產(chǎn)的機(jī)器人外部設(shè)備—焊接變位機(jī)有12個(gè)系列。他們把傳動(dòng)裝置、機(jī)座、夾具體等作成了標(biāo)準(zhǔn)模塊，集合而成產(chǎn)品系列。80年代初期我國(guó)生產(chǎn)的焊接裝備大多是較簡(jiǎn)單的焊接操作機(jī)、滾輪架、變位機(jī)、翻轉(zhuǎn)機(jī)和回轉(zhuǎn)平臺(tái)等，成套性較差、自動(dòng)化程度低，只能算作機(jī)械化的焊接設(shè)備。目前焊接變位機(jī)已系列化生產(chǎn)，最大承載能力達(dá)100t，每年都有各種汽車、機(jī)車、工程機(jī)械部件焊接用大、中型單面回轉(zhuǎn)和雙面回轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)機(jī)投運(yùn)。現(xiàn)在我國(guó)生產(chǎn)焊接變位機(jī)的廠家已經(jīng)不少，但大都不成規(guī)模。以變位機(jī)為主導(dǎo)產(chǎn)品發(fā)展起來(lái)的企業(yè)，尚未形成，企業(yè)應(yīng)用焊接變位機(jī)也較少。天津鼎盛工程機(jī)械有限公司、無(wú)錫市陽(yáng)通機(jī)械設(shè)備有限公司、長(zhǎng)沙海普公司、威達(dá)自動(dòng)化焊接設(shè)備公司等單位生產(chǎn)的變位機(jī)在國(guó)內(nèi)占有較大市場(chǎng)。到2000年，國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)的變位機(jī)產(chǎn)品約70余品種規(guī)格?？梢?jiàn)，國(guó)內(nèi)焊接變位機(jī)的發(fā)展空間還很大，主要向精密化、大型化、功能多樣化、智能化和集成化方向發(fā)展[1]。1.3我國(guó)焊接輔助設(shè)備簡(jiǎn)介1.3.1我國(guó)焊接輔助設(shè)備的發(fā)展歷程焊接輔助設(shè)備與器具制造行業(yè)自設(shè)立以來(lái)在整個(gè)焊接行業(yè)中占有重要地位，并受到業(yè)內(nèi)人士的高度重視。十五年來(lái)我國(guó)焊接輔助設(shè)備與器具制造行業(yè)在原有基礎(chǔ)上有了較快的發(fā)展，焊接輔助設(shè)備品種已從傳統(tǒng)的三大機(jī)－焊接操作機(jī)、變位機(jī)、滾輪架擴(kuò)大到各種焊接專用成套設(shè)備，機(jī)器人工作站配套設(shè)備、焊接生產(chǎn)線和柔性焊接生產(chǎn)系統(tǒng)等。從事焊接裝備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。焊接輔助設(shè)備確切的名稱應(yīng)為焊接工藝裝備。凡生產(chǎn)焊接結(jié)構(gòu)的加工設(shè)備和裝置均屬于焊接工藝裝備，其中包括備料設(shè)備，焊接裝配工夾具，焊接變位機(jī)械、焊件后處理設(shè)備等。與焊接工序直接有關(guān)的焊接工藝裝備主要有坡口加工設(shè)備，焊接裝配工夾具、焊接變位機(jī)，焊接操作機(jī)、專用成套焊接設(shè)備，機(jī)器人工作站和焊接生產(chǎn)線等。我國(guó)焊接工藝裝備制造行業(yè)起步較晚，直到二十世紀(jì)70年代初才在上海、成都、長(zhǎng)春等地陸續(xù)建成一批專門(mén)生產(chǎn)焊接工藝裝備的制造廠。進(jìn)入80年代，隨著國(guó)內(nèi)焊接工藝裝備需用量的日益增長(zhǎng)，各地又相繼成立了多家中小型焊接裝備生產(chǎn)廠。近期又新建成或改建具有一定規(guī)模的焊接裝備生產(chǎn)企業(yè)。迄今，我國(guó)已有24家焊接裝備生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)量2000萬(wàn)元以上的已有10多家。有些企業(yè)發(fā)展速度較快,并已具有較大的規(guī)模，某些焊接裝備已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。在焊接裝備的品種、技術(shù)特性方面，80年代初期我國(guó)生產(chǎn)的焊接裝備大多是較簡(jiǎn)單的焊接操作機(jī)、滾輪架、變位機(jī)、翻轉(zhuǎn)機(jī)和回轉(zhuǎn)平臺(tái)等，成套性較差、自動(dòng)化程度低。80年代后期，由于大量引進(jìn)了國(guó)外較先進(jìn)的成套焊接裝備，促進(jìn)了國(guó)產(chǎn)焊接裝備的技術(shù)進(jìn)步，無(wú)論是裝備的成套性、自動(dòng)化程度還是設(shè)備的精度和制造質(zhì)量都有不同程度的提高。在焊接裝備的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)中廣泛采用了當(dāng)代較先進(jìn)的交流電機(jī)變頻調(diào)速、直流電機(jī)的可控硅調(diào)速，PLC可編程控制器、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、微機(jī)和工業(yè)計(jì)算機(jī)控制等。焊接裝備的自動(dòng)化程度有了較大的提高。焊接操作機(jī)可按用戶的需要配備焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)。1.3.2焊接輔助設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)為適應(yīng)世界焊接輔助設(shè)備行業(yè)的發(fā)展，提高我國(guó)焊接輔助設(shè)備的技術(shù)水平，焊接輔助設(shè)備將要向如下五個(gè)方向發(fā)展[2]：1．精密化精密化的內(nèi)涵包括高精度、高質(zhì)量和高可靠性。從設(shè)備外觀上看有些焊接裝備幾乎接近于精密金屬切削機(jī)床，在精度要求上，以焊接機(jī)器人配套的焊接變位機(jī)為例，最高的重復(fù)定位精度為±0.05mm，機(jī)器人和精密操作機(jī)的行走機(jī)構(gòu)定位精度為±0.1mm，移動(dòng)速度的控制精度為±0.1％。2．大型化焊接裝備的大型化是焊接結(jié)構(gòu)向高參數(shù)、重型化和大型化發(fā)展的需要。如重型厚壁容器焊接中心的立柱橫梁操作機(jī)的最大規(guī)格已達(dá)12.5m×10m。龍門(mén)式操作機(jī)的規(guī)格為8m×8m。大型造船廠使用的門(mén)架式鋼板縱縫焊機(jī)最大行程為12m。集裝箱外殼整體組裝焊接中心門(mén)架式操作機(jī)的工作行程達(dá)16m。重型H型鋼和箱型梁生產(chǎn)線占地面積可達(dá)整個(gè)車間。3．多功能化為充分發(fā)揮自動(dòng)化焊接設(shè)備的效率，一臺(tái)焊接裝備可按工藝要求裝備各種焊頭，如單絲和多絲埋弧焊，單絲或雙絲窄間隙埋弧焊頭，MIG／MAG焊頭和帶極堆焊頭等，與滾輪架，變位器或翻轉(zhuǎn)機(jī)配套可以完成筒體內(nèi)外縱環(huán)縫，封頭拼接縫，內(nèi)壁堆焊、大直徑接管環(huán)縫焊接等。4．?dāng)?shù)字化焊接裝備的數(shù)字化控制雖然比傳統(tǒng)的金屬切削加工復(fù)雜得多，但實(shí)施數(shù)字控制的意義則更為重要，不僅提高了效率而且確保了批量生產(chǎn)過(guò)程中穩(wěn)定的焊接質(zhì)量還改善了操作環(huán)境。目前在焊接裝備控制系統(tǒng)中，采用PLC可編程控制器已成為最普通的控制器件，為提高焊接裝備自動(dòng)控制的功能和精度已開(kāi)始采用基于PC機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)，同時(shí)也為焊接裝備的網(wǎng)絡(luò)化控制和管控一體化提供了可能。5．智能化和集成化焊接裝備的智能化控制是焊接過(guò)程自動(dòng)控制的高級(jí)形式，通過(guò)各種專用的計(jì)算機(jī)軟件可按原始工件和焊接參數(shù)對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。對(duì)于厚壁接頭、智能化控制可根據(jù)實(shí)測(cè)接頭的幾何尺寸自動(dòng)編制焊接程序和焊接工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的全自動(dòng)化。1.4關(guān)于焊接機(jī)器人1.4.1國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展我國(guó)開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人晚于美國(guó)和日本，起于20世紀(jì)70年代，早期是大學(xué)和科研院所的自發(fā)性的研究。到80年代中期，全國(guó)沒(méi)有一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世。而在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)是個(gè)非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)外形勢(shì)，國(guó)家“七五”攻關(guān)計(jì)劃將工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)列入了計(jì)劃，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了攻關(guān)，特別是把應(yīng)用作為考核的重要內(nèi)容，這樣就把機(jī)器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來(lái)，使中國(guó)機(jī)器人在起步階段就瞄準(zhǔn)了實(shí)用化的方向。與此同時(shí)于1986年將發(fā)展機(jī)器人列入國(guó)家“863”高科技計(jì)劃。在國(guó)家“863”計(jì)劃實(shí)施五周年之際，鄧小平同志提出了“發(fā)展高科技，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”的目標(biāo)。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展的推動(dòng)下，以及對(duì)機(jī)器人技術(shù)研究的技術(shù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，863主題專家組及時(shí)對(duì)主攻方向進(jìn)行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用工程作為研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)之一，提出了以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國(guó)家“八五”和“九五”中。經(jīng)過(guò)十幾年的持續(xù)努力，在國(guó)家的組織和支持下，我國(guó)焊接機(jī)器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進(jìn)展，并已進(jìn)入使用化階段，形成了點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。1.4.2我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用狀況我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機(jī)械、鐵路機(jī)車等幾個(gè)主要行業(yè)。汽車是焊接機(jī)器人的最大用戶，也是最早用戶。早在70年代末，上海電焊機(jī)廠與上海電動(dòng)工具研究所，合作研制的直角坐標(biāo)機(jī)械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車底盤(pán)的焊接?！耙黄笔俏覈?guó)最早引進(jìn)焊接機(jī)器人的企業(yè)，1984起先后從KUKA公司引進(jìn)了3臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人，用于當(dāng)時(shí)“紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。1986年成功將焊接機(jī)器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于1988年開(kāi)發(fā)了機(jī)器人車身總焊線。80年代末和90年代初，德國(guó)大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車廠生產(chǎn)轎車，雖然是國(guó)外的二手設(shè)備，但其焊接自動(dòng)化程度與裝備水平，讓我們認(rèn)識(shí)到了與國(guó)外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項(xiàng)目中都引進(jìn)了焊接機(jī)器人?？梢哉f(shuō)90年代以來(lái)的技術(shù)引進(jìn)和生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備的引進(jìn)使我國(guó)的汽車制造水平由原來(lái)的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)模化生產(chǎn)，同時(shí)使國(guó)外焊接機(jī)器人大量進(jìn)入中國(guó)。由于我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動(dòng)了工程機(jī)械行業(yè)的繁榮，工程機(jī)械行業(yè)也成為較早引用焊接機(jī)器人的行業(yè)之一。近年來(lái)由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開(kāi)始尋求自動(dòng)化焊接技術(shù)，焊接機(jī)器人逐漸嶄露頭角。鐵路機(jī)車行業(yè)由于我國(guó)貨運(yùn)、客運(yùn)、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機(jī)器人的需求一直處于穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

進(jìn)入21世紀(jì)由于國(guó)外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國(guó)汽車行業(yè)的機(jī)器人安裝臺(tái)數(shù)迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千臺(tái)的數(shù)量增長(zhǎng)。

目前在我國(guó)應(yīng)用的機(jī)器人主要分日系、歐系和國(guó)產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國(guó)的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。國(guó)產(chǎn)機(jī)器人主要是沈陽(yáng)新松機(jī)器人公司產(chǎn)品。

目前在我國(guó)應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人中，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的數(shù)量不足100臺(tái)，特別是近兩年新安裝的機(jī)器人焊接系統(tǒng)中已經(jīng)看不到中國(guó)機(jī)器人的身影，雖然我國(guó)已經(jīng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的焊接機(jī)器人系列產(chǎn)品，但卻不能批量生產(chǎn)，形成規(guī)模[2]。1.4.3應(yīng)用焊接機(jī)器人的意義焊接機(jī)器人之所以能夠占據(jù)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人總量的40%以上，與焊接這個(gè)特殊的行業(yè)有關(guān)，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時(shí)由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來(lái)采用焊接機(jī)器人有下列主要意義：

(1)穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長(zhǎng)度等對(duì)焊接結(jié)果起決定作用。采用機(jī)器人焊接時(shí)對(duì)于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小,降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時(shí)，焊接速度、干伸長(zhǎng)等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性。

(2)改善了工人的勞動(dòng)條件。采用機(jī)器人焊接工人只是用來(lái)裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對(duì)于點(diǎn)焊來(lái)說(shuō)工人不再搬運(yùn)笨重的手工焊鉗，使工人從大強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)。

(3)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)器人沒(méi)有疲勞，一天可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機(jī)器人焊接，效率提高的更加明顯。

(4)產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計(jì)劃非常明確。

(5)可縮短產(chǎn)品改型換代的周期，減小相應(yīng)的設(shè)備投資?？蓪?shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化。機(jī)器人與專機(jī)的最大區(qū)別就是他可以通過(guò)修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。1.4.4我國(guó)焊接機(jī)器人應(yīng)用工程焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)是機(jī)器人技術(shù)、焊接技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)的融合，焊接機(jī)器人能否在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，發(fā)揮其優(yōu)越的特性，取決于人們對(duì)上述技術(shù)的融合程度。經(jīng)過(guò)近10年的努力，我國(guó)在機(jī)器人焊裝夾具設(shè)計(jì)方面積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)器人周邊設(shè)備實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，具有年產(chǎn)300余套焊接機(jī)器人工作站的能力?？梢哉f(shuō)國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)集成商在機(jī)器人工作站及簡(jiǎn)單的焊裝線的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面具有了與國(guó)外系統(tǒng)集成商抗衡的能力，近幾年為國(guó)內(nèi)汽車零部件等企業(yè)提供了大量的機(jī)器人焊接系統(tǒng)。但是另外一個(gè)嚴(yán)重的事實(shí)是，我們還不具備制造高水平的機(jī)器人成套焊裝線的能力。國(guó)內(nèi)幾大汽車廠的車身焊裝線都是由國(guó)外機(jī)器人系統(tǒng)集成商設(shè)計(jì)制造的。

作為焊接機(jī)器人的最大用戶，預(yù)計(jì)未來(lái)的10年我國(guó)汽車年產(chǎn)量要達(dá)到千萬(wàn)輛，現(xiàn)在的焊接裝備遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)需求，對(duì)焊接裝備的需求量將大幅增加，焊裝生產(chǎn)線要求更加自動(dòng)化和柔性化，以適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)要求，機(jī)器人將大量應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線中。1.4.5焊接機(jī)器人的最新應(yīng)用技術(shù)(1)TCP(toolcenterpoint工具中心點(diǎn))自動(dòng)校零技術(shù)

TCP自動(dòng)校零是用在機(jī)器人焊接中的一項(xiàng)新技術(shù)，它的硬件設(shè)施是由一梯形固定支座和一組激光傳感器組成。當(dāng)焊槍以不同姿態(tài)經(jīng)過(guò)TCP支座時(shí)，激光傳感器都將記錄下的數(shù)據(jù)傳遞到CPU與最初設(shè)定值進(jìn)行比較與計(jì)算。當(dāng)TCP發(fā)生偏離時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)運(yùn)行校零程序，自動(dòng)對(duì)每根軸的角度進(jìn)行調(diào)整，并在最少的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)TCP零位。

(2)雙絲焊接技術(shù)

近年來(lái)由于我國(guó)汽車、集裝箱、機(jī)車車輛、工程機(jī)械等行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)高速焊和高熔敷效率焊接的需求越來(lái)越多。雙絲焊是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高速高效焊接方法，焊接薄板時(shí)可以顯著提高焊接速度，達(dá)到3～6m/min，焊接厚板時(shí)可以提高熔敷效率。除了高速高效外，雙絲焊接還有其它的工藝特點(diǎn)：在熔敷效率增加時(shí)保持較低的熱輸入，熱影響區(qū)小，焊接變形小，焊接氣孔率低等。

由于焊接速度非常高，特別適合采用機(jī)器人焊接，因此可以說(shuō)機(jī)器人的應(yīng)用也推動(dòng)了這一先進(jìn)焊接技術(shù)的發(fā)展。

(3)激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)

激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)是激光焊接與氣體保護(hù)焊的聯(lián)合，兩種焊接熱源同時(shí)作用于一個(gè)焊接熔池。該技術(shù)的研究最早出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代末，但由于激光器的昂貴價(jià)格，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。隨著激光器和電弧焊設(shè)備性能的提高，以及激光器價(jià)格的不斷降低，同時(shí)為了滿足生產(chǎn)的迫切需求，激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)近年來(lái)成為焊接領(lǐng)域最重要的研究課題之一[2]。1.5關(guān)于焊接變位機(jī)的幾個(gè)基本定義1.5.1焊接變位機(jī)的定義在我國(guó)，焊接變位機(jī)是一個(gè)年青的產(chǎn)品。由于制造業(yè)之間發(fā)展水平的差異，很多企業(yè)的焊接工位，還沒(méi)有裝備焊接變位機(jī)；同時(shí)，相關(guān)的研究也比較薄弱。迄今為止，沒(méi)有專門(mén)著作去研究它的定義和分類。對(duì)它的稱呼也就不可能規(guī)范化了。同一種設(shè)備，不同的企業(yè)和不同的人可能有不同的稱呼。如：轉(zhuǎn)胎、轉(zhuǎn)臺(tái)、翻轉(zhuǎn)架、變位器、變位機(jī)等。為此，我們需要賦予它一個(gè)定義。我們稱：用來(lái)拖動(dòng)待焊工件，使其待焊焊縫運(yùn)動(dòng)至理想位置進(jìn)行施焊作業(yè)的設(shè)備，稱焊接變位機(jī)。也就是說(shuō)，把工件裝夾在一個(gè)設(shè)備上，進(jìn)行施焊作業(yè)。焊件待焊焊縫的初始位置，可能處于空間任一方位。通過(guò)回轉(zhuǎn)變位運(yùn)動(dòng)后，使任一方位的待焊焊縫，變?yōu)榇呛?、平焊或平角焊施焊作業(yè)。完成這個(gè)功能的設(shè)備稱焊接變位機(jī)。它改變了可能需要立焊、仰焊等難以保證焊接質(zhì)量的施焊操作。從而，保證了焊接質(zhì)量，提高了焊接生產(chǎn)率和生產(chǎn)過(guò)程的安全性[1]。1.5.2主自由度及全功能焊接變位機(jī)可以肯定的講，如果一臺(tái)變位機(jī)拖動(dòng)焊件，僅做直線運(yùn)動(dòng)，哪怕是三維的，也不可能改變焊縫的姿態(tài)，滿足施焊要求。也就是說(shuō)，變位運(yùn)動(dòng)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，稱此回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為變位機(jī)的主自由度。還可以做這樣一個(gè)假設(shè)：在X、Y、Z直角坐標(biāo)系下，設(shè)有一空間直線焊縫，繞Z軸可在360°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，且這個(gè)Z軸連同這一焊縫又可繞X（或Y）軸在≥180°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，那么，經(jīng)此變位的焊縫，便可變到船角焊位置進(jìn)行施焊作業(yè)。換言之，一個(gè)焊口由兩個(gè)面的共線MN和夾角α組成，在上述兩個(gè)回轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，經(jīng)恰當(dāng)?shù)幕剞D(zhuǎn)，便可使其共線MN與水平面平行，且這兩個(gè)面與水平面的夾角相等，各為α/2，即變?yōu)榇呛肝恢?。這個(gè)假設(shè)是說(shuō)，任何復(fù)雜焊件，只要裝在主自由度為一個(gè)全回轉(zhuǎn)和一個(gè)半回轉(zhuǎn)的焊接變位機(jī)上，即可實(shí)現(xiàn)船焊要求。我們稱這種雙回轉(zhuǎn)式焊接變位機(jī)為全功能變位機(jī)。1.5.3焊接變位機(jī)的變位自由度涉及到用戶對(duì)設(shè)備裝備的理念，以及考慮用于手把焊和自動(dòng)焊的不同用途，選擇和設(shè)計(jì)焊接變位機(jī)時(shí)，除主變位自由度外，還要考慮增加輔助變位自由度。如大件焊接，可增加升降運(yùn)動(dòng)自由度，如上述美國(guó)、德國(guó)這種產(chǎn)品很多。另外，某些焊件，由于焊縫分布簡(jiǎn)單，用一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度就可以解決焊件中大部分和重要焊縫的船焊要求，其余少量非重要焊縫，雖然，不能實(shí)施船角焊，但可以實(shí)施平角焊。這樣，為簡(jiǎn)化設(shè)備造價(jià)，工藝上便考慮采用單自由度或功能退化的焊接變位機(jī)，即單回轉(zhuǎn)式變位機(jī)。根據(jù)使用要求，同樣也可以增加輔助自由度。例如，升降式和尾架移動(dòng)式等等。還有一些工位變位機(jī)，為適用于焊接工位的工藝要求，這種焊接變位機(jī)的某些自由度，與施焊無(wú)關(guān)。還有從工位設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性考慮，兩臺(tái)或多臺(tái)焊接變位機(jī)合并設(shè)計(jì)，這樣就出現(xiàn)了多種工位變換和組合式多自由度焊接變位機(jī)產(chǎn)品。1.5.4變位機(jī)的第一主參數(shù)--額定負(fù)荷本文把最能描述焊接變位機(jī)工作能力的參數(shù)，稱第一主參數(shù)。焊接變位機(jī)不同平臺(tái)式焊機(jī)變位機(jī)由平臺(tái)、立架（柱）和臺(tái)車組成。焊接機(jī)頭在平臺(tái)式上可作水平移動(dòng)，平臺(tái)沿立架能垂直升降，立架安在臺(tái)車上，臺(tái)車沿軌道行走。懸臂式焊機(jī)變位機(jī)懸臂和立柱是基本構(gòu)成部分，若增加臺(tái)車，則活動(dòng)范圍加大搖臂式焊機(jī)變位機(jī)的臂長(zhǎng)不變，能繞立柱旋轉(zhuǎn)和沿立柱升降，機(jī)頭可沿臂上的導(dǎo)軌作水平移動(dòng)；伸臂式操作機(jī)的機(jī)臂通過(guò)滑座能在水平方向伸縮其長(zhǎng)度，又能繞立柱軸旋轉(zhuǎn)和垂直升降。門(mén)橋式焊機(jī)變位機(jī)它分為橋式和門(mén)式兩種類型。橋式焊機(jī)變位機(jī)是由梁和兩個(gè)起支承和行走作用的臺(tái)車組成，焊機(jī)接頭可沿梁作橫向移動(dòng)，臺(tái)車沿軌道可作縱向移動(dòng)。門(mén)式焊機(jī)變位機(jī)比橋式多一門(mén)架，焊接機(jī)頭可在門(mén)梁上作橫向移動(dòng)，或者在另設(shè)的可沿門(mén)柱上下升降的橫梁作橫向移動(dòng)。1.6.3焊工變位機(jī)的類型焊工變位機(jī)按其動(dòng)作可分為水平移動(dòng)和升降兩類，以升降者居多。兩者都是將人工（焊工、檢驗(yàn)工等）和施焊（或探傷）用的器材送到施工部位的機(jī)械裝置。它們主要在高大的焊接結(jié)構(gòu)施工時(shí)用，生產(chǎn)既安全又快速。1.7幾種常見(jiàn)的焊件變位機(jī)的類型及特點(diǎn)（1）雙立柱單回轉(zhuǎn)式變位機(jī)：該種變位機(jī)適合裝載機(jī)的后車架、壓路機(jī)機(jī)架等工程機(jī)械長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)件的焊接，形式如圖示1—5兩種樣式，其主要特點(diǎn)是立柱一端電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作裝置沿一個(gè)回轉(zhuǎn)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，另一端隨主動(dòng)端從動(dòng)。兩側(cè)立柱可設(shè)計(jì)成可升降式，以適應(yīng)不同規(guī)格產(chǎn)品。這種型式變位機(jī)的缺點(diǎn)只能在一個(gè)圓周方向回轉(zhuǎn)，選擇時(shí)要注意焊縫形式是否適合。（2）Ｕ型雙座式頭尾雙回轉(zhuǎn)型式：與第一種變位機(jī)型式相比，即在圖1—5第二種的基礎(chǔ)上被焊結(jié)構(gòu)件在另外一個(gè)空間又增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。如圖1—6這種型式的變位機(jī)焊接空間大，工件可被旋轉(zhuǎn)到需要的位置，設(shè)計(jì)先進(jìn)，目前已在工程機(jī)械許多廠家成功使用。該變位機(jī)可根據(jù)各廠的工藝情況在裝載機(jī)、挖掘機(jī)、壓路機(jī)等結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)應(yīng)用。圖1—5雙立柱單回轉(zhuǎn)式變位機(jī)[3]圖1—6Ｕ型雙座式頭尾雙回轉(zhuǎn)機(jī)型[3]（3）Ｌ型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機(jī)：該種變位機(jī)如圖1—7所示，其工作裝置Ｌ型，有兩個(gè)方面的回轉(zhuǎn)自由度，且兩個(gè)方向都可以±３６０°任意回轉(zhuǎn)。此變位機(jī)與其它類型變位機(jī)相比，開(kāi)敞性好，容易操作。Ｌ型變位機(jī)已在裝載機(jī)前車架焊接中成功的使用，而且使用效果很好，深受現(xiàn)場(chǎng)操作工的歡迎。（4）Ｃ型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機(jī)：如圖示1—8，Ｃ型回轉(zhuǎn)形式與Ｌ型機(jī)相同，只是為了方便夾具體的設(shè)計(jì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)件的外形，變位機(jī)的工作裝置稍作變動(dòng)。該種型式焊接變位機(jī)，適合裝載機(jī)的鏟斗、挖掘機(jī)的挖斗等焊接。圖1—7Ｌ型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機(jī)[3]圖1—8Ｃ型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機(jī)[3](5)座式通用變位機(jī)：如圖1—9，座式焊接變位機(jī)工作臺(tái)有一個(gè)整體翻轉(zhuǎn)的自由度，可以將工作翻轉(zhuǎn)至理想的焊接位置進(jìn)行焊接。另外工作臺(tái)還有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度。該種變位機(jī)已被多個(gè)廠家系列化生產(chǎn)，其適合工程機(jī)械的小型焊接件以及一些管類、軸類、盤(pán)類等中小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接在選擇變位機(jī)時(shí)要根據(jù)工件的形狀、焊縫的形式及工藝現(xiàn)狀選取，否則，有可能不好用或不能用。以上基本型產(chǎn)品發(fā)展了17個(gè)系列，主要為普通型，用于手把焊。此外，還有調(diào)速型、聯(lián)控型（PLC、微機(jī)控制）和機(jī)器人配套型產(chǎn)品。與焊接機(jī)器人配套用的變位機(jī)，開(kāi)發(fā)了十余個(gè)品種。包括：工位變換變位機(jī)（不參與焊接），如，立式雙工位、四工位、八工位變位機(jī)，雙座單回轉(zhuǎn)式八工位和傾翻回轉(zhuǎn)式雙工位變位機(jī)等；與機(jī)器人配套焊接變位機(jī)（機(jī)器人外部軸），如，傾翻-回轉(zhuǎn)伺服傳動(dòng)式、雙座單回轉(zhuǎn)伺服傳動(dòng)式、多軸單回轉(zhuǎn)伺服傳動(dòng)式等。圖1—9座式通用變位機(jī)[3]1.8設(shè)計(jì)本焊接變位機(jī)的目的和意義本焊接變位機(jī)設(shè)計(jì)的目的主要是為了實(shí)現(xiàn)重量在100kg范圍內(nèi)的工件在焊接時(shí)的焊縫位置的變位和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接盤(pán)狀工件。在焊接生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到焊接各種軸類、盤(pán)類、筒體等回轉(zhuǎn)工件，如果是手工操作焊槍以實(shí)現(xiàn)工件的環(huán)焊縫焊接，有很多的不便，焊縫質(zhì)量差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度也大，本焊接變位機(jī)可以很好的克服這一問(wèn)題。本焊接變位機(jī)是一種小型焊接變位機(jī)，尤其是適應(yīng)中小型焊件的變位，相比大噸位焊接變位機(jī)可以節(jié)約能源，提高效率，尤其是大批量生產(chǎn)時(shí)本焊接變位機(jī)價(jià)格便宜，易于實(shí)現(xiàn)廣泛的使用。第2章總體設(shè)計(jì)2.1本焊接變位機(jī)總體設(shè)計(jì)及適用范圍焊接變位機(jī)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是滿足系統(tǒng)的功能,從變位機(jī)械在該生產(chǎn)線中的功能入手分析,它主要包括以下幾個(gè)方面的功能：（1）對(duì)焊件的停放；（2）能適應(yīng)不同尺寸形狀的焊件的焊接；（3）能夠?qū)⒋更c(diǎn)沿著一定的運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)到最佳焊接位置。因此根據(jù)焊接變位機(jī)使用要求以及市場(chǎng)需求，本焊接變位機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求如下：本焊接變位機(jī)為兩個(gè)自由度的焊件變位機(jī)；其最大負(fù)載為100kg；工作臺(tái)傾斜角度為0°～135°，工作臺(tái)傾斜角速度V傾＝0.3~1r/min；工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角度為0°～360°，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角速度V回＝0.5~3.15r/min；能適應(yīng)不同尺寸形狀的焊件；盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，便于加工制造。本焊接變位機(jī)適用于小焊件的焊接，一般是那種手工不易搬動(dòng)或者搬起來(lái)比較費(fèi)力的焊件，對(duì)手工焊和自動(dòng)焊都適用，主要是用來(lái)把焊縫變到易于施焊的位置，比如平焊和“船型”焊接位置。2.2設(shè)計(jì)方案的確定在對(duì)焊接變位結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí),其設(shè)計(jì)依據(jù)是焊接工件及焊縫的形狀特征信息,在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需綜合考慮多方面的因素,如工件的焊接方法及其工藝規(guī)范等。本焊接變位機(jī)由工作平臺(tái)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傾斜機(jī)構(gòu)、機(jī)座、控制裝置、焊接導(dǎo)電裝置等部分組成。（1）工作平臺(tái)它用于工件的停放。由于焊接變位機(jī)一般情況下需配合夾具工作，完成工件的翻轉(zhuǎn)及焊接。因此在工作臺(tái)表面開(kāi)溝槽，用于固定工件的夾具的移動(dòng)及固定。同時(shí)工作臺(tái)面表面經(jīng)網(wǎng)格狀處理后增大了摩擦，便于工件在變位時(shí)位置的固定。（2）工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)面上被焊接件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。該部分主要是傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)。包括傳遞動(dòng)力、改變運(yùn)動(dòng)方向、改變運(yùn)動(dòng)速度。2．1．1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)類型選擇的一般原則：①小功率傳動(dòng)，宜選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以降低制造成本。②大功率傳動(dòng)，應(yīng)優(yōu)先選用傳動(dòng)效率高的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如齒輪傳動(dòng)，以降低能耗。③工作中可能出現(xiàn)過(guò)載的工作機(jī)，應(yīng)選用具有過(guò)載保護(hù)作用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如帶傳動(dòng)。但在易爆、易燃場(chǎng)合，不能選用摩擦傳動(dòng)，以防止靜電引起火災(zāi)。④載荷變化較大，換向頻繁的工作機(jī)，應(yīng)選用具有緩沖吸振能力的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如帶傳動(dòng)。⑤工作溫度較高、潮濕、多粉塵、易爆、易燃場(chǎng)合，宜選用鏈、閉式齒輪或蝸桿傳動(dòng)。⑥要求兩軸保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)選用齒輪或蝸桿傳動(dòng)[6]。由于各種傳動(dòng)的單級(jí)傳動(dòng)比均有相應(yīng)的容許極限值，故對(duì)傳動(dòng)比很大或較大的機(jī)械．需用二級(jí)或二級(jí)以上的多級(jí)傳動(dòng)。多級(jí)傳動(dòng)可全由嚙合傳動(dòng)組成，或全由摩擦傳動(dòng)組成，也可用摩擦傳動(dòng)和嚙合傳動(dòng)組成，還可由常規(guī)的普通傳動(dòng)和非常規(guī)的行星傳動(dòng)組成。在多級(jí)傳動(dòng)中，各類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置順序不僅影響傳動(dòng)的平穩(wěn)性和傳動(dòng)效率，而且對(duì)整個(gè)傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)尺寸也有很大影響。因此，應(yīng)根據(jù)各類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)合理布置，使各類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得以充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。2．1．2常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一般布置原則是：摩擦傳動(dòng)(例如帶傳動(dòng))的承載能力一般較低，在傳遞相同的扭矩時(shí)其結(jié)構(gòu)尺寸大于嚙合傳功，故在多級(jí)傳動(dòng)中宜置于高速級(jí)，又因其工作平穩(wěn)性好，故置于高速級(jí)還能起吸震緩沖作用。嚙合傳動(dòng)中的蝸桿傳動(dòng)多用于大傳動(dòng)比和中小功率場(chǎng)合，其承載能力一般較齒輪傳動(dòng)低，為獲得較小的結(jié)構(gòu)尺寸，宜置于高速級(jí)。這時(shí)，雖然齒面相對(duì)滑動(dòng)速度較高，卻有利于建立流體潤(rùn)滑油膜，能為提高承載能力和效率帶來(lái)好處?？紤]到大尺寸、大模數(shù)的圓錐齒輪加工比較困難，故在多級(jí)傳動(dòng)中宜置于高速級(jí)，但這時(shí)圓周速度較大，需提高制造精度，導(dǎo)致成本提高。斜齒傳動(dòng)的工作平穩(wěn)性優(yōu)于直齒傳動(dòng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)應(yīng)置于高速級(jí)。鏈傳動(dòng)具有固有的運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻特性，沖擊甚大，故宜置于低速級(jí)。開(kāi)式齒輪傳動(dòng)的工作環(huán)境一般甚差，潤(rùn)滑條件不良，故宜置于低速級(jí)。改變運(yùn)動(dòng)形式的傳動(dòng)和機(jī)構(gòu)(如螺旋傳動(dòng)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu))，應(yīng)布置在多級(jí)傳動(dòng)中的最后一級(jí)。對(duì)于NGW(2K—H)型和N(K—H—V)型內(nèi)嚙合行星傳動(dòng)，因具有承裁能力高而結(jié)構(gòu)尺寸小、效率高而傳動(dòng)比大的特性，故在多級(jí)傳動(dòng)中可考慮置于低速級(jí)。若機(jī)械中有制動(dòng)裝置，則其后不應(yīng)采用摩擦傳動(dòng)。順便指出，機(jī)械中的制動(dòng)裝置通常置于高速級(jí)[6]。此外，設(shè)計(jì)多級(jí)傳動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)鏈越簡(jiǎn)短越好。運(yùn)動(dòng)鏈越簡(jiǎn)短，機(jī)構(gòu)和零件的數(shù)量就越少，能量消耗也少，制造、裝配、使用、維修和保養(yǎng)費(fèi)用也低并利于提高整機(jī)的效率和運(yùn)轉(zhuǎn)精度。因此根據(jù)以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及設(shè)計(jì)要求，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)一級(jí)帶輪傳動(dòng)，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)蝸桿減速器減速，最后一級(jí)蝸輪軸輸出至工作臺(tái)。傳動(dòng)路線為：直流電機(jī)——一級(jí)帶輪傳動(dòng)——蝸桿減速器，從而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)。此機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于傳動(dòng)比大而結(jié)構(gòu)尺寸較小，易于吸收振動(dòng)，當(dāng)傳動(dòng)部分被卡住時(shí)，不會(huì)燒壞電機(jī)，同時(shí)造價(jià)比較低。（3）工作臺(tái)傾斜機(jī)構(gòu)同樣根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及設(shè)計(jì)要求，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)大傳動(dòng)比減速器（諧波齒輪減速器），蝸輪蝸桿，以及齒輪的多級(jí)減速，以獲得連續(xù)穩(wěn)定的工作臺(tái)傾斜速度。傳動(dòng)路線為：直流帶減速電機(jī)——諧波減速器——齒輪傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的傾斜。選用蝸輪蝸桿減速裝置除了利用蝸輪蝸桿減速裝置的傳動(dòng)比大及結(jié)構(gòu)尺寸小的特點(diǎn)外，還利用蝸輪蝸桿減速裝置的自鎖功能，同時(shí)采用齒輪輔助鎖定，通過(guò)控制操作使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠準(zhǔn)確平穩(wěn)地停留在指定位置，安全可靠。（4）控制裝置由工作臺(tái)回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)和傾斜控制系統(tǒng)組成。（5）焊接導(dǎo)電裝置焊接時(shí)，強(qiáng)大的焊接電流通過(guò)工件和工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸，經(jīng)導(dǎo)電裝置(位于回轉(zhuǎn)軸中部的碳刷)傳至工作臺(tái)，再由焊機(jī)機(jī)構(gòu)返回到焊機(jī)負(fù)極，導(dǎo)電裝置提供了一個(gè)暢通的電流回路，有效地防止了焊接電流直接通過(guò)齒輪副和軸承。既保證足夠的焊接電流，又使上述回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)免遭電流損壞。第3章傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)3.1傳動(dòng)部分的總體設(shè)計(jì)要求（1）根據(jù)焊接速度需要，預(yù)設(shè)定：工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角速度＝0.5~3.15r/min；工作臺(tái)傾斜角速度＝0.3~1r/min；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，成本低；（3）盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，便于加工制造。3.2傳動(dòng)系統(tǒng)的分析和擬定工作機(jī)需由原動(dòng)機(jī)輸入動(dòng)力才能工作。一般來(lái)說(shuō)，原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)直接相聯(lián)的情況極為少見(jiàn)，通常是在二者之間設(shè)置一中間裝置，此中間裝置稱為傳動(dòng)裝置，簡(jiǎn)稱傳動(dòng)；在機(jī)械中，傳動(dòng)裝置的功用是根據(jù)工作機(jī)的工作要求實(shí)現(xiàn)某種減速、增速、變速或改變運(yùn)動(dòng)形式得功能。工程實(shí)踐表明，傳動(dòng)裝置常是機(jī)械中的重要組成部分，在整機(jī)的成本和重量中占有很大的比重，并在很大程度上決定整機(jī)的技術(shù)性能和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。因此，正確設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置對(duì)保證整機(jī)的技術(shù)性能和質(zhì)量指標(biāo)具有相當(dāng)重要的意義。大家知道，原動(dòng)機(jī)有電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等各種類型。迄今為止，工業(yè)中應(yīng)用最廣的原動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)。根據(jù)工作原理的不同，傳動(dòng)分兩大類：機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)。在機(jī)械傳動(dòng)中，又分摩擦傳動(dòng)、嚙合傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)。設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置時(shí)，首先必需擬定傳動(dòng)方案(或稱傳動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)簡(jiǎn)團(tuán)或運(yùn)動(dòng)鏈)，即選定傳動(dòng)型式。所以，必須了解、掌握、分析和比較各種有關(guān)傳動(dòng)的性能、特點(diǎn)和適應(yīng)范圍．合理選定傳動(dòng)型式及其組成的傳動(dòng)方式以滿足整機(jī)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力和其他要求。選擇傳動(dòng)型式時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮的主要指標(biāo)是：功率；效率；運(yùn)動(dòng)性能；外形尺寸；重量；生產(chǎn)率和成本等。現(xiàn)分別簡(jiǎn)要闡述如下：（1）功率每種傳動(dòng)所能傳遞的功率大小與該傳動(dòng)的工作原理、承載能力、工作速度、效率、材料和制造精度等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，嚙合傳動(dòng)傳遞的功率高于摩擦傳動(dòng)，但是嚙合傳動(dòng)中的蝸桿傳動(dòng)則因齒面相對(duì)滑動(dòng)速度較大，導(dǎo)致發(fā)熱量大和效率較低而不宜傳遞較大的功率；同步齒形帶傳動(dòng)則因材料關(guān)系亦不能傳遞大的功率。（2）效率效率是評(píng)定傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)的一個(gè)重要參數(shù)。高的效率意味著節(jié)約動(dòng)力和節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。效率低的傳動(dòng)一般不用于傳遞大的功率。通常嚙合傳動(dòng)的效率高于摩擦傳動(dòng)，但普通圓柱蝸桿的傳動(dòng)效率可能低于摩擦傳動(dòng)。（3）速度速度是傳動(dòng)裝置的一個(gè)主要運(yùn)動(dòng)特性。提高傳動(dòng)的速度是機(jī)械的主要發(fā)展方向之一。影響速度的因素有動(dòng)載荷和制造精度等。在常規(guī)傳動(dòng)中，除螺旋傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)外，嚙合傳動(dòng)的容許速度一般高于摩擦傳動(dòng)。（4）傳動(dòng)比傳動(dòng)比是傳動(dòng)裝置的又一運(yùn)動(dòng)特性。每種傳動(dòng)因受外形尺寸或承載能力等因素的限制，均有各自適用的最大傳動(dòng)比值。此外，還應(yīng)考慮傳動(dòng)比值的精確性問(wèn)題。對(duì)于要求精確傳動(dòng)比的機(jī)械，不能采用摩擦傳動(dòng)而應(yīng)采用嚙合傳動(dòng)。（5）外廓尺寸、重量及成本傳動(dòng)裝置的外廓尺寸和重量與傳動(dòng)零件材料的機(jī)械性能、容許傳遞速度、容許傳遞功率等密切有關(guān)。在上述條件確定情況下，單級(jí)傳動(dòng)的外廓尺寸和重量主要取決于傳動(dòng)型式。一般說(shuō)來(lái)，嚙合傳動(dòng)比摩擦傳動(dòng)輕巧，但成本較高。在嚙合傳動(dòng)中，蝸桿傳動(dòng)和一些內(nèi)嚙合行星傳動(dòng)的尺寸和重量通常最小。采用何種傳動(dòng)型式較為相宜，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析，不僅考慮技術(shù)性能指標(biāo)，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)提出的各種方案應(yīng)在綜合比較它們的技術(shù)－經(jīng)濟(jì)指標(biāo)后才可作出決策[5]。3.3本焊接變位機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的確定3.3.1工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)首先考慮到焊接速度的要求，工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)速度比較小，因此需要的減速比比較大，為了盡量減少傳動(dòng)部分的體積，同時(shí)造價(jià)比較低，所以主要采用兩級(jí)蝸桿減速器，同時(shí)在高速端采用一級(jí)帶輪減速，既可以實(shí)現(xiàn)所需要的傳動(dòng)比，還可以吸收振動(dòng)。用第二級(jí)蝸輪軸作為輸出軸連接到工作臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的低速回轉(zhuǎn)。具體傳動(dòng)的簡(jiǎn)單示意圖如圖4—1所示。圖3—1工作臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)1—直流電機(jī)2—小帶輪3—大帶輪4—第一級(jí)蝸桿軸5—第一級(jí)蝸輪6—第二級(jí)蝸桿軸7—第二級(jí)蝸輪8—工作臺(tái)3.3.2工作臺(tái)傾斜系統(tǒng)由于工作臺(tái)的傾斜速度比較小，因此減速比也是很大，采用三級(jí)減速。為了盡量減少傳動(dòng)部分的體積，先采用直流減速電機(jī)減速。即電動(dòng)機(jī)本身帶有減速器，然后由單級(jí)諧波齒輪減速器減速，最后再通過(guò)齒輪減速，輸出至工作臺(tái)，從而達(dá)到所需的工作臺(tái)傾斜速度。由于結(jié)構(gòu)的需要在一級(jí)齒輪減速中加入一個(gè)傳遞齒輪。具體傳動(dòng)示意簡(jiǎn)圖如圖3—2所示。圖3—2工作臺(tái)傾斜系統(tǒng)1—直流減速電機(jī)2—聯(lián)軸器3—諧波齒輪減速器4—聯(lián)軸器5—底座6—小齒輪7—機(jī)架8—傳遞齒輪9—扇形齒輪10—傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)軸表3—2直流減減速電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)工作機(jī)所需功率Pw由工作機(jī)的工作阻力(F或T)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)(v或n)，按式（3-3）和（3-4）進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，（3—3）當(dāng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，（3—4）式中F——工作機(jī)阻力(N)；v——工作機(jī)線速度(m/s)；T——工作機(jī)阻力矩(N·m)；n——工作機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；ηw——工作機(jī)效率，根據(jù)工作機(jī)的類型確定，本焊件變位機(jī)取ηw＝0.8。1.本焊機(jī)傳動(dòng)裝置總效率的確定電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)裝置總效率η可按3—5式計(jì)算：（3—5）式中η1，η2，…，ηn——分別為傳動(dòng)裝置中每一傳動(dòng)副(如齒輪、蝸桿、帶或鏈傳動(dòng)等)、每一對(duì)軸承及每一個(gè)聯(lián)軸器的效率，其概略值可由參考文獻(xiàn)[5]中，表5—35選取。得η聯(lián)＝0.98η齒＝0.98η蝸＝0.8η軸承＝0.99η諧波＝0.97η帶=0.962.計(jì)算總效率ηa時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題：（1）所取傳動(dòng)副效率中是否包括其支承軸承的效率，如已包括，則不再計(jì)人該對(duì)軸承的效率。軸承效率均指一對(duì)軸承而言。（2）同類型的幾對(duì)傳動(dòng)副、軸承或聯(lián)軸器，要分別計(jì)入各自的效率。（3）蝸桿傳動(dòng)嚙合效率與蝸桿參數(shù)、材料等因素有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)可先初估蝸桿頭數(shù)其效率值，待蝸桿傳動(dòng)參數(shù)確定后再精確地計(jì)算效率，并校核傳動(dòng)功（4）資料推薦的效率一般有一個(gè)范圍，可根據(jù)傳動(dòng)副、軸承和聯(lián)軸器等的工作條件、精度等要求選取具體值。例如，工作條件差、精度低、潤(rùn)滑不良的齒輪傳動(dòng)取小值，反之中間值。綜合考慮到以上提到的注意問(wèn)題和根據(jù)傳動(dòng)裝置總效率的計(jì)算式得[7]：（1）工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置總效率：（3—6）（2）工作臺(tái)傾斜機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置總效率：（3—7）3.工作機(jī)阻力矩驅(qū)動(dòng)功率的確定由焊接回轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算式，由參考文獻(xiàn)[7]可得如下公式計(jì)算工作阻力矩：圖3—3焊接變位機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)[7]（3—8）（3—9）（3—10）（3—11）式中P——回轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)功率（kW）；Mf——軸承處的摩擦力矩（N·m）；f——軸徑處滑動(dòng)摩擦系數(shù)；Fa、Fb——分別為A、B處的支反力（N）；dA、dB——分別為A、B處軸徑(mm)；l——主軸AB段長(zhǎng)度（mm）G——工作臺(tái)的總重量（N）；e——綜合重心偏心距，即偏離工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心的距離；T——回轉(zhuǎn)軸最大阻力矩（N·m）；n——回轉(zhuǎn)軸的的最大轉(zhuǎn)速（r/min）；——回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率；、h——最大重心高度又根據(jù)設(shè)計(jì)總要求，設(shè)定工件與工作臺(tái)面的總重最大為0.12t，f取0.08，dA、dB取50，l取150，e取80，可計(jì)算得：98.56N·m圖3—4焊接變位機(jī)傾斜機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)[7]同樣傾斜機(jī)構(gòu)中的最大力矩可按下式計(jì)算：式中（3—12）——傾斜軸的最大阻力矩（N·m）；e,h同前；可計(jì)算得：=340N·m，將代替式3—11中的T即可得到傾斜機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)功率。4.電動(dòng)機(jī)額定功率的確定因此根據(jù)以上確定的條件以及電動(dòng)機(jī)的額定功率計(jì)算式，得回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)額定功率：由此功率和前文提到的博山SZ系列微型直流伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)可選用110SZ51/H7電動(dòng)機(jī)，其額定功率為185W，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。傾斜機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)功率由此功率和前文提到的博山J-SZ(ZYT)-PX系列微型直流減速電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)可選用J90SZ54—PX16A1減速器電動(dòng)機(jī)，其額定功率為150W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。3.4.3電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證對(duì)于多級(jí)傳動(dòng)，為使各級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，還可以根據(jù)工作機(jī)的轉(zhuǎn)速及各級(jí)傳動(dòng)副的合理傳動(dòng)比，推算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍，可由3—13式計(jì)算[5]（3—13）式中n′d——電動(dòng)機(jī)可選轉(zhuǎn)速范圍(r/min)；i′a——傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比的合理范圍；i′1，i′2，…，i′n——各級(jí)傳動(dòng)副傳動(dòng)比的合理范圍；n——工作機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。根據(jù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)可得它的傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比合理范圍為100~25600；傾斜傳動(dòng)的裝置的傳動(dòng)比合理范圍為3600~20000。根據(jù)3—13式可推算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，得（1）工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍為了使傳動(dòng)比不致過(guò)大而造成結(jié)構(gòu)龐大，選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500r/min的電機(jī)轉(zhuǎn)速合適；（2）工作臺(tái)傾斜機(jī)構(gòu)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍同樣為了使傳動(dòng)比不致過(guò)大而造成結(jié)構(gòu)龐大，選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min的電動(dòng)機(jī)合適。3.5傳動(dòng)比的擬定及確定3.5.1總傳動(dòng)比的確定（1）工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)根據(jù)初選電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)速為1500r/min,而根據(jù)前面總體設(shè)計(jì)時(shí)焊接速度要求，預(yù)設(shè)定工作臺(tái)回轉(zhuǎn)速度V回＝0.5～3.15r/min，總傳動(dòng)比公式如3—14：（3—14）式中——電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min）——工作軸轉(zhuǎn)速（r/min）則根據(jù)總傳動(dòng)比公式取i=2880（2）工作臺(tái)傾斜機(jī)構(gòu)根據(jù)初選電機(jī)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，而根據(jù)焊接速度要求，總體設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定工作臺(tái)回轉(zhuǎn)速度V回＝0.1～1r/min，則根據(jù)總傳動(dòng)比公式取i＝51203.5.2各級(jí)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比的分配分配各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比時(shí)，需注意下列各點(diǎn)：（1）各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比值宜在常用范圍值內(nèi)選取，盡量不取超出常用范圍的偏大數(shù)值，否則可能導(dǎo)致傳動(dòng)尺寸偏大和重量增加。當(dāng)傳動(dòng)比i≥30時(shí)，不宜設(shè)計(jì)成兩級(jí)傳動(dòng)而宜設(shè)計(jì)成三級(jí)(或以上)傳動(dòng)。對(duì)于摩擦傳動(dòng)，由于外廓尺寸一般較大，若無(wú)特殊情況(例如為了協(xié)調(diào)空間距離)，一般不用多級(jí)傳動(dòng)。（2）傳動(dòng)比的取值大小會(huì)影響傳動(dòng)的外廓尺寸，亦即影響傳動(dòng)零件的徑向尺寸。因此確定各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意協(xié)調(diào)各級(jí)傳動(dòng)，特別是從動(dòng)零件尺寸方面的勻稱關(guān)系，使之便于安裝。例如在三角帶—圓柱齒輪兩級(jí)或三級(jí)傳動(dòng)中，第一級(jí)帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比不要過(guò)大，（通常小于或等于2并小于齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比)，否則可能會(huì)使從動(dòng)大帶輪的半徑越過(guò)齒輪傳動(dòng)裝置輸入軸的中心高，造成安裝不便或困難。 r/min（3—15）式中為電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速，r/min由式3—15可計(jì)算得各軸為：750r/min=20.83r/min=0.52r/min2.各軸輸入功率可由式3—16計(jì)算r/min(3—16)式中為電動(dòng)機(jī)輸出功率，kW；為一對(duì)帶輪的的效率；為一對(duì)蝸輪蝸桿的效率；為一對(duì)滾動(dòng)軸承的效率。為1軸到2軸之間的效率，其余類推。由式3—16可計(jì)算得各軸的輸入功率為=0.178kW=0.141kW=0.111kW3.各軸輸入轉(zhuǎn)矩可由式3—17計(jì)算 N·m（3—17）式中為各軸轉(zhuǎn)矩，i=1，2，3由式3—17可計(jì)算得各軸轉(zhuǎn)矩為=2.27N·m=64.64N·m=2038.55N·m根據(jù)以上計(jì)算可將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)個(gè)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)列于表3—3。 表3—3回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)軸名參數(shù)電動(dòng)機(jī)軸1軸（一級(jí)蝸桿軸）2軸（二級(jí)蝸桿軸）3軸（二級(jí)蝸輪軸）轉(zhuǎn)速n(r/min)150075020.830.52功率P(kW)0.1850.1780.1410.111轉(zhuǎn)矩T(N·m)1.172.2764.642038.55傳動(dòng)比i23640效率0.960.7920.792同樣根據(jù)式3—15，3—16，3—17可計(jì)算得傾斜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)如表3—4。表3—4傾斜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)軸名參數(shù)電動(dòng)機(jī)軸1軸（電機(jī)減速輸出軸）2軸（諧波減速器入軸）3軸（傾斜軸）轉(zhuǎn)速n(r/min)3000187.52.340.58功率P(kW)0.1500.1470.1400.133轉(zhuǎn)矩T(N·m)0.4787.49571.362189.91傳動(dòng)比i16804效率0.980.960.953.6蝸輪、蝸桿的選擇及校核3.6.1蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊。蝸桿和螺旋一樣，也有單線、雙線和多線之分，螺紋的線數(shù)就是蝸桿的頭數(shù)Z1，如果蝸輪的齒數(shù)為Z2，則蝸桿每轉(zhuǎn)一圈，蝸輪將轉(zhuǎn)過(guò)Z1/Z2圈。設(shè)n1、n2分別為蝸桿、蝸輪的轉(zhuǎn)速，則蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比可用式3—18表示[10]：（3—18）通常Z1較小(Z1=1~4)，而蝸輪齒數(shù)可以很多，由上式可見(jiàn)單級(jí)蝸桿傳動(dòng)即可獲得大的傳動(dòng)比，在動(dòng)力傳動(dòng)中，一般取傳動(dòng)比為10～80；當(dāng)功率很小、主要用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)(如分度機(jī)構(gòu))時(shí)，傳動(dòng)比甚至可達(dá)1000。（2）傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。（3）可以實(shí)現(xiàn)自鎖。和螺紋副相同，當(dāng)蝸桿螺旋升角小于其齒面間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，反行程自鎖，即只能是蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪，而蝸輪不能驅(qū)動(dòng)蝸桿。這對(duì)某些要求反行程自鎖的機(jī)械設(shè)備(如起重)很有意義。蝸桿傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是由于齒面間存在較大的相對(duì)滑動(dòng)，傳動(dòng)中摩擦大，發(fā)熱大，效率低（通常為0.7～0.8），自鎖時(shí)嚙合效率低于0.5，因而需要良好的潤(rùn)滑和散熱條件，不適用于大功率傳動(dòng)(一股不超過(guò)50kw)，為了減少齒面磨損和防止膠合，便于跑合，蝸輪齒圈常需用比較貴重的有色金屬(如青銅)制造。根據(jù)表3—5中模數(shù)m及分度圓直徑d1值的關(guān)系，選取第一級(jí)蝸桿模數(shù)為3.15mm，分度圓直徑為28mm。第二級(jí)蝸桿的模數(shù)為4mm，分度圓直徑為40mm。表3—5模數(shù)m、分度圓直徑d1及m2d1值[1]3.6.2蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)的選擇蝸桿頭數(shù)Z1的選擇與傳動(dòng)比、效率、制造等有關(guān)。若要得到大傳動(dòng)比，可取Z1＝1，但傳動(dòng)效率較低。當(dāng)傳動(dòng)功率較大時(shí)，為提高傳動(dòng)效率可采用多頭蝸桿，取Z1＝2~4,頭數(shù)過(guò)多,加工精度不易保證。蝸輪齒數(shù)Z2=iZ1。為了避免蝸輪輪齒發(fā)生根切，Z2不應(yīng)少于26；動(dòng)力蝸桿傳動(dòng)，一般Z2＝27~80。若Z2過(guò)多，會(huì)使結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，蝸桿長(zhǎng)度也隨之增加，導(dǎo)致蝸桿剛度降低，影響嚙合精度。Z1和Z2的推薦值見(jiàn)表3—6。表3—6Z1、Z2的推薦用值校核齒輪彎曲強(qiáng)度可用式3—23計(jì)算（3—23）式中YFS—復(fù)合齒形系數(shù)；m—模數(shù)，mm；T—齒輪轉(zhuǎn)矩，N·mm；b—輪齒接觸寬度，mm；K—載荷綜合系數(shù)；Z1—齒數(shù)；[σH]—輪齒的許用彎曲應(yīng)力，N/mm2由參考文獻(xiàn)[5]中，表5—30查得YFS1＝4.19，YFS2＝3.90由參考文獻(xiàn)[5]中，表5—31查得σFlim1=600N/mm2，σFlim2=540N/mm2由參考文獻(xiàn)[5]中，表5—8查得SFmin=1,故由參考文獻(xiàn)[5]中，式5—36（3—24）得：[σF1]＝600N/mm2，[σF2]＝540N/mm2又K=1.2，m＝5mm，b＝110mm得所設(shè)計(jì)的齒輪符合設(shè)計(jì)使用要求3.8諧波齒輪減速器的選擇諧波齒輪傳動(dòng)減速器的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。諧波齒輪傳動(dòng)的主要構(gòu)件只有三個(gè)：波發(fā)生器、柔輪、剛輪。它與傳動(dòng)比相當(dāng)?shù)钠胀p速器比較，其零件減少50%，體積和重量均減少1/3左右或更多。（2）傳動(dòng)比范圍大單級(jí)諧波減速器傳動(dòng)比可在50—300之間，優(yōu)選在75—250之間；雙級(jí)諧波減速器傳動(dòng)比可在3000—60000之間；復(fù)波諧波減速器傳動(dòng)比可在200—140000之間。（3）同時(shí)嚙合的齒數(shù)多。

雙波諧波減速器同時(shí)嚙合的齒數(shù)可達(dá)30%，甚至更多些。而在普通齒輪傳動(dòng)中，同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有2—7%，對(duì)于直齒圓柱漸開(kāi)線齒輪同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有1—2對(duì)。正是由于同時(shí)嚙合齒數(shù)多這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使諧波傳動(dòng)的精度高，齒的承載能力大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大速比、小體積。（4）承載能力大。諧波齒輪傳動(dòng)同時(shí)嚙合齒數(shù)多，即承受載荷的齒數(shù)多，在材料和速比相同的情況下，受載能力要大大超過(guò)其它傳動(dòng)。其傳遞的功率范圍可為幾瓦至幾十千瓦。（5）運(yùn)動(dòng)精度高。由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運(yùn)動(dòng)精度能提高四倍左右。（6）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊，噪聲小。齒的嚙入、嚙出是隨著柔輪的變形，逐漸進(jìn)入和逐漸退出剛輪齒間的，嚙合過(guò)程中齒面接觸，滑移速度小，且無(wú)突然變化。（7）齒側(cè)間隙可以調(diào)整。諧波齒輪傳動(dòng)在嚙合中，柔輪和剛輪齒之間主要取決于波發(fā)生器外形的最大尺寸，及兩齒輪的齒形尺寸，因此可以使傳動(dòng)的回差很小，某些情況甚至可以是零側(cè)間隙。（8）傳動(dòng)效率高。與相同速比的其它傳動(dòng)相比，諧波傳動(dòng)由于運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨速比的不同（u=60-250)，效率約在65～96%左右（諧波復(fù)波傳動(dòng)效率較低），齒面的磨損很小。（9）同軸性好。諧波齒輪減速器的高速軸、低速軸位于同一軸線上。（10）可實(shí)現(xiàn)向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。采用密封柔輪諧波傳動(dòng)減速裝置，可以驅(qū)動(dòng)工作在高真空、有腐蝕性及其它有害介質(zhì)空間的機(jī)構(gòu)，諧波傳動(dòng)這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難于達(dá)到的。（11）可實(shí)現(xiàn)高增速運(yùn)動(dòng)。由于諧波齒輪傳動(dòng)的效率高及機(jī)構(gòu)本身的特點(diǎn)，加之體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，因此是理想的高增速裝置。對(duì)于手搖發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等需要高增速的設(shè)備有廣闊的應(yīng)用前景。（12）方便的實(shí)現(xiàn)差速傳動(dòng)。由于諧波齒輪傳動(dòng)的三個(gè)基本構(gòu)件中，可以任意兩個(gè)主動(dòng)，第三個(gè)從動(dòng)，那么如果讓波發(fā)生器、剛輪主動(dòng)，柔輪從動(dòng)，就可以構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而方便的實(shí)現(xiàn)快慢速工作狀況。這一點(diǎn)對(duì)許多機(jī)床的走刀機(jī)構(gòu)很有實(shí)用價(jià)值，經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以大大改變機(jī)床走刀部分的結(jié)構(gòu)性能。由于本焊接變位機(jī)要求傳動(dòng)比大，而單級(jí)諧波齒輪減速器是一種新型的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有傳動(dòng)比大、承載能力大、傳動(dòng)精度高、重量輕、體積小、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此選用諧波減速器作為一級(jí)減速器[15]。表3—7諧波減速機(jī)整機(jī)及組件技術(shù)參數(shù)表機(jī)型減

速

比

u輸入轉(zhuǎn)速3000rpm輸入轉(zhuǎn)速1500rpm輸入轉(zhuǎn)速1000rpm輸出力矩

T2N.m輸出轉(zhuǎn)速

n2rpm額定輸入功率

pkW輸出力矩

T2N.m輸出轉(zhuǎn)速

n2rpm額定輸入功率

pkW輸出力矩

T2N.m輸出轉(zhuǎn)速

n2rpm額定輸入功率

pkW4048

65

80

1008.0

10

12

1563

46

38

300.081

0.074

0.073

0.0738.0

10

12

1731

23

19

150.040

0.037

0.036

0.0408.0

10

12

1721

15

13

100.027

0.025

0.024

0.0275046

48

58

59

61

78

80

83

95

100

118

120

12515

15

20

20

20

25

25

25

30

30

30

30

3065

63

52

51

49

38

38

36

32

30

25

25

240.158

0.151

0.167

0.164

0.158

0.155

0.151

0.146

0.153

0.145

0.123

0.121

0.11615

15

20

20

20

25

25

25

33

33

33

33

3833

31

26

25

25

19

19

18

16

15

13

13

120.079

0.076

0.083

0.082

0.079

0.077

0.076

0.073

0.084

0.080

0.068

0.066

0.07315

15

20

20

20

25

25

25

33

33

33

33

4422

21

17

17

16

13

13

12

11

10

8

8

80.053

0.050

0.056

0.055

0.063

0.052

0.050

0.049

0.056

0.053

0.045

0.044

0.056根據(jù)設(shè)計(jì)要求所需要的傳動(dòng)比為80，所以選用50機(jī)型中傳動(dòng)比為80的減速機(jī)。3.9軸的設(shè)計(jì)與校核3.9.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是在滿足強(qiáng)度和剛度要求的基礎(chǔ)上，綜合考慮軸上零件的裝拆、定位、固定以及加工工藝等要求，以確定軸的合理結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的過(guò)程。軸的設(shè)計(jì)具有較大的靈活性和多樣性，但軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則上應(yīng)滿足如下要求：軸和安裝在軸上的零件都要有確定的工作位置；軸上零件要便于裝拆；不應(yīng)使軸的強(qiáng)度和剛度因軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)而遭到過(guò)多的削弱。3.9.2軸的初估初估的軸徑為軸上受扭段的最小直徑，此處如有鍵槽時(shí)，還要考慮鏈槽對(duì)軸強(qiáng)度削弱的影響。有一個(gè)鍵槽時(shí)，直徑增大3％—5％，然后圓整。若外伸軸用聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)軸相聯(lián)，則應(yīng)綜合考慮電動(dòng)機(jī)軸徑及聯(lián)軸器孔徑尺寸，適當(dāng)調(diào)整初算的軸徑尺寸[5]。1.材料的選擇和軸徑的計(jì)算1.材料選擇現(xiàn)以回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中第二級(jí)蝸輪軸為例來(lái)進(jìn)行軸的計(jì)算，由于減速器功率不大，又無(wú)特殊傳動(dòng)要求，故選用45號(hào)鋼作正火處理。強(qiáng)度極限2.按轉(zhuǎn)矩估算軸的最小直徑軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要在初步估算出一段軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行。最小直徑可用式3—25計(jì)算（3—25）式中P——軸所傳遞的功率(kw)；n——軸的轉(zhuǎn)速r/min)；C——由軸的許用切應(yīng)力所確定的系數(shù)，見(jiàn)表3—8表3—8軸常用材料的C值軸的材料Q235，20354540Cr，35SiMn，38SiMnMoC160～135135～118118～107107～98取C＝110則